产品的热设计培训资料.pdf

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1、电子产品的热设计基础 初级版 李文博李文博 2016 7 271 介绍 什么叫热设计 热设计就是根据电子元器件的热特性和传热学的原理 采取各种结 构措施控制电子设备的工作温度 使其在允许的温度范围之内 为什么要进行热设计 高温对电子产品的影响高温对电子产品的影响 绝缘性能退化 元器件损坏 材料的热老化 低熔点焊缝开裂 焊点脱落 温度对元器件的影响温度对元器件的影响 一般而言 温度升高电阻阻值降低 高温会 降低电容器的使用寿命 高温会使变压器 扼流圈绝缘材料的性能 下降 温度过高还会造成焊点合金结构的变化 焊点变脆 机械强 度降低 结温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加 导致集 电极电流增加

2、 又使结温进一步升高 最终导致元件失效 2016 7 272 介绍 热设计的目的热设计的目的 控制产品内部所有电子元器件的温度 使其在所 处的 工作环境条件下不超过标准及规范所规定的最高 温度 最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为 基础 并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元 器件的失效率相一致 2016 7 273 介绍 热设计的三个层次 元件级的热设计 元件级的热设计 主要研究芯片内部结构及其封装形式对传热 的影响 计算及分析芯片的温度分布 对材料 结构进行热设 计 降低热阻 增加传热途径 提高传热效果 达到降低温度 的目的 主要由元器件的生产厂家完成 主要由元器件的生产厂家完成 电

3、路板级的热设计 电路板级的热设计 主要研究电路板的结构 元器件布局对元 件温度的影响以及电子设备多块电路板的温度分布 计算电子 元件的结点温度 进行可靠性预计 对电路板结构及其元器件 进行合理安排 在电路板及其所在箱体内采取热控制措施 达 到降低温度的目的 主要由电子设备设计人员及可靠性设计人主要由电子设备设计人员及可靠性设计人 员完成 员完成 环境级的热设计 环境级的热设计 主要是研究电子设备所处环境的温度对其的 影响 环境温度是电路板级的热分析的重要边界条件 采取措 施控制环境温度 使电子设备在适宜的温度环境下工作 可由可由 产品开发人员或用户完成 产品开发人员或用户完成 2016 7 2

4、74 主要内容 热设计的基本理论 基本数据 设计原则 测试 方法及相关测试仪表 热设计的基础知识热设计的基础知识 热设计基本概念与术语 散热的 基本方式 热电模拟法 热路及热网络 热设计的基本要求及一般设计准则热设计的基本要求及一般设计准则 通过实例分析 讲 述热设计的设计要求及准则 风扇的基本知识风扇的基本知识 风扇的选型方法 应用准则 热界面材料热界面材料 热界面材料的种类 选型准则 热设计验证方法热设计验证方法 热测试相关的仪器 仪表的特点 及使用 场合 注意事项 如何减少热测试误差的方法及注意事项 热设计的验证标准热设计的验证标准 热设计的验证标准 2016 7 275 概述 热设计的

5、基础知识 热设计的基本概念 热特性 热特性 设备或元器件温升随热环境变化的特性 包括温度 压力 和流量分布特征 导热系数 导热系数 表征材料导热性能的参数指标 它表明单位时间 单位 面积 负的温度梯度下的导热量 单位为W m K或W m 对流换热系数 对流换热系数 反映两种介质间对流换热过程的强弱 表明当流体 与固体壁面的温差为1 时 在单位时间通过单位固体换热面积 的热量 单位为W m2 K或W m2 热阻 热阻 热量在热流路径上遇到的阻力 反映介质或介质间的传热能 力的大小 表明了1W热量所引起的温升大小 单位为 W或K W 可分为导热热阻 对流热阻 辐射热阻及接触热阻四类 2016 7

6、276 热设计的基础知识 热设计的基本概念 温度稳定温度稳定 当设备处于工作状态时 设备中发热元器件表面温度每小时变 化波动范围在 1 内时 称温度稳定 设备外部环境温度设备外部环境温度 设备达到稳定温度时距离设备各主要表面几何中心 80mm处空气温度按各表面积的加权平均值 机柜机柜 箱表面温度箱表面温度 设备达到稳定温度时各主要外表面几何中心点上温度的 平均值 热点热点 元器件 散热器和冷板的各个局部表面温度最高的位置 热点器件 指单板上温度最高和较高的器件 温升温升 元器件表面温度与设备外部环境温度的差值 用符号 t表示 2016 7 277 热设计的基础知识 热设计的基本概念 温度与温升

7、的区别温度与温升的区别 温度是量化介质热性能的一个指标 是一个绝 对概念 温升是指介质自身或介质间温度的变化范围 它总是相 对于不同时刻或同一时刻的另一介质 是一个相对概念 风道的局部阻力与沿程阻力风道的局部阻力与沿程阻力 局部阻力指由于风道的截面积发生变 化而引起的压力损失 沿程阻力指由于流体粘性而引起的压力损 失 表征温度的方式表征温度的方式 表征介质温度的方式有三种 摄氏温度 绝对温 度 华氏温度 它们的换算关系如下 TK 273 Tc Tc 5 TF 32 9 层流与紊流层流与紊流 湍流湍流 层流指流体呈有规则的 有序的流动 换热系 数小 流阻小 紊流指流体呈无规则 相互混杂的流动 换

8、热系 数大 流阻大 根据流动的雷诺数大小来判断 2016 7 278 热设计的基础知识 2016 7 279 Laminar Flow 层流 流体分子的 流线相互平行 互 不交叉 层流 流体分子的 流线相互平行 互 不交叉 Turbulent Flow 湍流 流体分子 不规则运动 湍流 流体分子 不规则运动 热设计的基础知识 热量传递的基本方式 热量传递有三种基本方式热量传递有三种基本方式 导热 对流 辐射导热 对流 辐射 它们可以单独出现 也可能两种或三种形式同时出现 2016 7 2710 热设计的基础知识 导热 导热 热传导 的机理 热传导是不同温度的物体 固体 液体 气体 直接接触或物

9、体内 部不同温度的各部分之间能量交换的现象 传导过程中 能量主要通过以下方式传递 自由电子的运动 固体金属 分子晶格振动弹性波的作用 一般固体和液体 分子不规则热运动时的相互碰撞 气体 2016 7 2711 热设计的基础知识 热设计的基础数据 常用材料的导热系数常用材料的导热系数 2016 7 2712 2714038690150204192导热系数导热系数 w m k 铁铁黄铜黄铜紫铜紫铜压铸铝压铸铝 ACD12 防锈铝防锈铝 LF21 纯铝纯铝铝合金铝合金 6063 材料材料 272 10 033701 40 5350 71导热系数导热系数 w m k 氧化铍氧化铍空气空气氮化铝氮化铝

10、陶瓷陶瓷 导热绝导热绝 缘材料缘材料 硅脂硅脂三氧化三氧化 二铝陶二铝陶 瓷瓷 云母云母材料材料 热设计的基础知识 2016 7 2713 Heat sink Heat source Actual contact area 2 of apparent contact area Surface should be smooth Use thermal interface material Apply pressure v接触热阻 热设计的基础知识 选用导热系数较大的材料 金属材料 制造热传导零件 最大限度地减少接触热阻 适当增大热传导零件间的接触面 积和压力 在两接触面间涂导热硅脂或垫入软金属箔

11、等 尽量缩短热传导路径 热传导路径中不应有绝热或隔热元件 2016 7 2714 v增强热传导的主要措施 自然对流情况下散热片安装方向 2016 7 2715 重力方向 热设计的基础知识 流体的物理性质 流体的导热系数 比热容 密度和动力粘度等 换热表面的形状 大小和位置 2016 7 2716 v影响对流换热的因素 加大温差 降低散热物体周围对流介质的温度 加大散热面积 采取有利于对流散热的形状和安装位置 加大对流介质的流动速度 以带走更多的热量 强迫对流比 自然对流的对流表面换热系数大 选用有利于增强对流换热的流体作为介质 液体比气体的对 流换热能力强 v增强对流散热的主要措施 热设计的基

12、础知识 2016 7 2717 在零部件或散热片上涂覆黑色粗糙的漆 增大其辐射系数 从而增强辐射能力 热敏感元件的表面应做成光亮的表面 减小其辐射系数 从而减小吸收辐射热量 加大辐射体的表面积 设法降低设备周围的温度 加大辐射体与周围环境的温差 v增强辐射散热的主要措施 热 设 计 的 实 施 过 程热 设 计 的 实 施 过 程 初 步 热 设 计 详 细热设 计 测 试验 证 和设计 改 进 散 热 方式 散 热 风道 方案 均 部 热荷 载下 的 单 板 温 度 分 布 指 导 单 板 器 件 布 局 产 品 规格 定义 和 产 品 系统 设 计阶 段 产 品 开发 阶段 整 机 试装

13、阶段 详细 风 道 设 计方 案 单板 关 键 芯 片热 分析 和 温 度 控 制 散热 器 的 选 择和 分析 热设 计 验 证 解决 遗 留 的 牵 涉 面 小 的散 热问 题 热设计的基本要求及设计准则 热设计的实施过程 2016 7 2718 热设计的基本要求及设计准则 自然冷却风路的设计原则 功能单元 模块 布局应考虑机柜的风路设计要求 对直齿型散 热器 应保证散热器的齿槽垂直于水平面 有利于形成 烟囱 效应 元器件应纵向排列 让元器件的长边与空气上升的方向平行 机箱内元器件布置应较稀疏 有利于空气流通 进出风口的高度差尽可能大 2016 7 2719 热设计的基本要求及设计准则 强

14、迫风冷风路的设计原则 如果发热分布均匀 元器件的间距应均匀 以使风均匀流过每一 个发热源 如果发热分布不均匀 在发热量大的区域元器件应稀疏排列 而 发热量小的区域元器件布局应稍密些 或加导流条 以使风能有 效的流到关键发热器件 如果风扇同时冷却散热器及模块内部的其它发热器件 应在模 块内部采用阻流方法 使大部分的风量流入散热器 进风口的结构设计原则 一方面尽量使其对气流的阻力最小 另 一方面要考虑防尘 需综合考虑二者的影响 2016 7 2720 热设计的基本要求及设计准则 风路的设计原则 自然冷却条件下 对设备内有多块PCB板时 应与进风方向平行 并列安装 每块PCB板间的间距应大于30mm

15、 以利于对流散热 对强迫风冷条件下 PCB板的间距可以适当减小 但必须符合安 规要求 底板 隔热板 屏蔽板 印制板的位置应以不要阻碍或阻断气流 为原则 2016 7 2721 热设计的基本要求及设计准则 风道的设计原则 一些产品如变频器有专门的通风管道 风道设计应注意下面几个问题 风道尽可能短 缩短管道长度可以降低风道阻力 尽可能采用直的锥形风道 直管加工容易 局部阻力小 风道的截面尺寸最好和风扇的出口一致 以避免因变换截面而增 加阻力损失 截面形状可为圆形 也可以是正方形或长方形 2016 7 2722 热设计的基本要求及设计准则 冷却方法的选择原则 冷却方法种类冷却方法种类 常用的冷却方式

16、有 自然冷却 强迫风冷 强迫液冷 蒸 发冷却 热电致冷 热管冷却 冷板技术 选择冷却方法须考虑的因素选择冷却方法须考虑的因素 设备的热流密度 总损耗 能提供的散热表面积及体积 设备和元器件的允许温度 温升 环境条件等 2016 7 2723 热设计的基本要求及设计准则 冷却方法的选择原则 确定冷却方法的原则确定冷却方法的原则 在所有的冷却方法中应优先考虑自然冷却 因为自然冷却不仅 成本低 而且可靠性高 只有在自然冷却无法满足散热要求时 才 考虑其它冷却 当冷却表面的热流密度为0 024 0 039W cm2 采用自然对流 上限适用于通风条件较差的情况 下限适用于通风条件较畅的场合 当冷却表面的热流密度为0 078W cm2 采用强迫风冷 2016 7 2724 热设计的基本要求及设计准则 型材散热器的选择及设计原则 材质的选择 散热器材料应具有较高的导热系数 一般推荐使用 铝型材散热器 6063 LD31 180W m k 特殊条件下 紫铜T2 380W m k 散热器的各项技术指标应符合 电力半导体器件型材散热器 技术条件 散热器安装器件的表面光洁度Ra5 样品的任何一表面与箱壁间距